Triphenylamine based semiconducting polymers for organic/hybrid photovoltaics and sensors

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der maßgeschneiderten Synthese von organischen, halbleitenden Polymeren basierend auf Tetraphenylbenzidin (TPD) und Triphenylamin (TPA) und deren Untersuchung hinsichtlich des Ladungsträgertransports, des Einflusses von Dotierung und der Anwendung in organischen/Hybrid-Solarzellen und Sensoren. Das spezifische Design der TPD- und TPA-Hauptkettenpolymere ermöglicht die Nutzung dieser Materialklasse als namhafte Lochtransportmaterialien für neue Anwendungen wie den Einsatz als Injektionsschichten in Perovskit Solarzellen und als impedimetrische Gassensoren. Weiterhin wurde eine Studie über die Delokalisierung und den Ladungstransfercharakter in Donor-Akzeptor (D-A) Copolymeren durchgeführt, indem D-A Copolymere mit unterschiedlichem Ladungstransfercharakter konzipiert wurden. Eine große Herausforderung auf dem Gebiet der hoch effizienten Perovskit Solarzellen, die bisher eine außergewöhnliche Entwicklung durchlaufen haben, ist eine gleichmäßige Filmbildung, die es ermöglicht große Perovskit-Kristalle und glatte Oberflächen zu erhalten. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde im ersten Teil dieser Arbeit eine Eintopfmethode für die Herstellung von Zweischichtsolarzellen entwickelt. Hierfür wurde die Kristallisation des Perovskits innerhalb einer Polymermatrix gesteuert. Daher wurde ein TPD Homopolymer (PTPD) mit Oligoethylenglykol-Seitenketten maßgeschneidert synthetisiert, um die nötige Löslichkeit und Mischbarkeit in der Lösung der Perovskit-Edukte (CH3NH3I und PbI2) zu erzielen. In einem einzigen Schritt wurde die Blend-Lösung aus PTPD und Perovskit-Edukten durch Lackschleudern aufgetragen. Durch anschließende thermische Behandlung trat eine kristallisationsgetriebene vertikale Phasenseparation auf und die gewünschte Zweischichtstruktur (PTPD/Perovskit) bildete sich aus. Große Perovskit-Kristalle mit einer glatten Oberfläche, welche eine optimale Geometrie für effiziente Solarzellen aufweisen, konnten erhalten werden. Die mit diesem neuen Ansatz hergestellten Solarzellen zeigten eine sehr gute Funktionsweise bei Verwendung einer unterliegenden, mesoporösen TiO2-Schicht als Gerüst. Daher ist dieses System von großer Relevanz für das aufstrebende Gebiet der Perovskit-Solarzellen, da es eine einfache und skalierbare Methode darstellt, um eine glatte und einheitliche Kristallbildung zu erzielen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Einfluss der Polarität der Seitenkette der PTPDs als Lochinjektionsschicht an der Grenzfläche zur Perovskit-Schicht. Für diese Untersuchungen wurden Perovskit-Solarzellen mit Hilfe der gängigen, zweistufigen Methode hergestellt. Zunächst erfolgte die Herstellung der PbI2-Schicht, welche einer CH3NH3X-Lösung ausgesetzt wurde. Nach einem Tempervorgang wurde im zweiten Schritt der Lochleiter aufgetragen. Wichtige Fragestellungen im Hinblick auf den Einfluss der Eigenschaften des lochleitenden Materials wurden untersucht. Der Einfluss des Molekulargewichts auf die Lochtransportmobilität der PTPDs wurde mittels „Space charge limited current“ (SCLC) Messungen betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die Lochtransportmobilität unabhängig vom Molekulargewicht dieser amorphen Polymere ist und die Anbindung von polaren Seitenketten das Lochtransportverhalten ebenfalls nicht beeinflusst. Weiterhin zeigten SCLC, UV-vis und spektroelektrochemische Messungen, dass durch Dotierung mit einem Co(III)-Komplex die Ladungsträgerkonzentration durch Oxidation erhöht wird, was zu einer erhöhten Leitfähigkeit und daher einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzellen führt. Die Solarzellen wurden im Detail charakterisiert, wobei Fragen der Lagerung und Hystereseeffekte aufgrund von Messbedingungen adressiert wurden. Nach Lagerung der Solarzellen erhöhte sich der Wirkungsgrad aufgrund der verbesserten Absorption, welche zu einer verbesserten externen Quantenausbeute führte. Zusätzlich resultierte der Einsatz von polaren Seitenketten am PTPD im Vergleich zum Polymer mit unpolaren Seitenketten in einem weniger stark ausgeprägten Hystereseeffekt und einer höheren Stabilität unter Beleuchtung. Im dritten Teil dieser Arbeit werden PTPDs als aktive Materialien für impedimetrische NO2-Gasdosimeter vorgestellt. Der Vorteil von Gasdosimetern ist die gleichzeitige Detektion der aktuellen Konzentration und der Exposition in Abhängigkeit der Zeit. Daher muss das aktive Material den Analyten während der Exposition akkumulieren und es darf keine Regeneration des Signals nach der Exposition auftreten. PTPD ist aufgrund seiner Oxidierbarkeit ein geeignetes aktives Material für die Detektion von NO2. Die Oxidation des PTPDs führt zu einer messbaren Änderung der Leitfähigkeit und des Widerstands. Wir konnten zeigen, dass das reine, undotierte PTPD als klassischer Gassensor für NO2 fungiert, wobei eine Regeneration des Sensorsignals auftritt. Allerdings führen die Dotierung des PTPDs mittels Co(III)-Komplex und die Zugabe eines Li-Leitsalzes zur Reduktion der Regeneration des Sensorsignals und einer Akkumulation von NO2 in der PTPD-Schicht. Folglich wurden die Adsorptions- und Desorptionsraten durch Dotierung und Zugabe des Leitsalzes auf den Einsatz als Dosimetermaterial zugeschnitten. Der vierte Teil beschäftigt sich mit der Frage der Variation des Absorptionsverhaltens von PTPDs und zeigt eine detaillierte Studie hinsichtlich des Einflusses der chemischen Struktur auf die Delokalisierung in D-A-Copolymeren. Aus der Literatur ist bekannt, dass die optische Lücke mit Hilfe des D-A-Konzepts reduziert werden kann. Zur Umsetzung des D-A-Konzepts sind zwei Strategien bekannt: 1) Alternierender Einbau der Akzeptoreinheit in die Polymerhauptkette und 2) Anbindung des Akzeptors an die Seitenkette des Polymers. Diese Strategien wurden in dieser Arbeit verglichen, um den Einfluss auf die Exzitionendelokalisierung und den Effekt des Ladungstransfercharakters auf den Ladungstransport zu verstehen. Zusätzlich wurde die Ladungstrennung in Zweischichtsolarzellen mit C60 untersucht. Dafür wurden zwei neue D-A-Copolymere, basierend auf TPA als Donoreinheit, synthetisiert. Cyclovoltammetrie-, UV-vis-, Fluoreszenz- und SCLC-Messungen ergaben, dass die beiden D-A-Copolymere einen unterschiedlichen Anteil an Ladungstransfercharakter und Delokalisierung besitzen. Daher variieren auch die Ladungstransportmobilitäten. Wir konnten zeigen, dass die starke Lokalisierung des Exzitons im D-A-Copolymer mit Akzeptor in der Seitenkette zusammen mit der verringerten Konjugation des Systems die Ladungsseparation mit C60 hindert. Allerdings führen der schwächere Ladungstransfercharakter und die starke Konjugation/Delokalisierung im D-A-Hauptkettencopolymer zu einer verbesserten Ladungsseparation in Zweischichtsolarzellen.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2014

Author dc:creator

• Neumann, Katharina

Contributors dc:contributor

• Thelakkat, Mukundan

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/1737/

OAI identifier oai:identifier

oai:epub.uni-bayreuth.de:1737